e모빌리티에 관한 논문이나 보고서에서 비접촉식 충전(inductive charging)이라는 주제는 그 비중이 점점 더 커지고 있다.
편리성이라는 일차적인 장점 이외에도 이 기술에서는 높이 평가할만한 여러 가지 장기적인 장점을 제공하고 있다. 특히 비접촉식 충전 방식은 전기차의 주행거리를 편리하게 확장하거나 값비싼 배터리를 소형화시키는 것도 가능하게 해주고 있다.
이 글에서는 독일 슈투트가르트에서 자동차 관련 OEM들과 공급업체들이 참가했었던 ‘2015 벡터 e모빌리티 엔지니어링 데이(2015 Vector E-Mobility Engineering Day)’ 등과 같은 포럼에서 논의된 바 있는 비접촉식 충전기술과 그 표준화에 관한 현안을 전반적으로 다루고 있다.

연소 기관을 장착한 차량이 정기적으로 주유소를 방문해야 하는 것처럼 전기차도 정기적으로 가정 내에 있는 전기 콘센트를 이용해 밤새도록 충전을 하거나, 도로변에 설치된 공중 충전소에서 에너지를 공급받아야 한다. 지금까지 충전용 플러그를 충전용 소켓에 수동으로 결합해야 하는 유선충전 방식을 제외하고는 표준화된 방식이 없었다.

비접촉식 충전 기술 : e모빌리티의 최신 경향

이러한 방식은 앞으로 바뀌게 될 것인데, 그 이유는 e모빌리티에서 유선충전 방식을 보완할 수 있는 첨단 비접촉식 충전 방식을 제공하고 있기 때문이다.

여기서 정적 충전 방식과 동적 충전방식을 구분할 필요가 있다. 이 말은 차량이 정지 상태에 있을 때 통상적으로 충전하는 방식과 함께 차량이 특별한 장치를한 도로 위를 주행하는 도중에 동적으로 충전하는 방식도 기술적으로 가능하다는 의미이다. 이미 수많은 기업체나 기관들이 연구 사업 등을 통해 비접촉식 충전기술을 시장에서 성숙 단계로 끌어올리기 위한 노력과 동시에 해당 기술의 글로벌 표준화를 위한 노력을 병행하고 있다. 유선으로 접속하지 않고 충전하게 되면 전기차를 매일 운행하는 사용자들에게 확실한 편의성을 제공하게 될 것이다. 이 밖에도 이 기술을 통해 많은 혜택을 구현할 수 있다.

예를 들어 무선충전 방식은 플러그나 케이블을 연결할 때 장비의 노화나 마모, 부식, 전선 파손 등에 의해 발생할 수 있는 문제들을 피할 수 있으며, 이에 따라 전반적인 유지 노력을 낮추게 된다. 공공 부문에서는 인프라에 취약한 공격 개시점(point of attack)이 사라진다는 것으로 이는 기물파손 행위 등에 의한 피해를 상당히 줄일수 있다는 의미가 된다.

현재 보편적인 충전소에서는(그림 1), 사용자 인터페이스가 일반적으로 충전소에 있는 충전 장비 및 충전용 케이블과 함께 내장돼 있다. 이러한 인터페이스는 디스플레이 모듈과 사용자 정보를 입력하기 위한 제어기 및 신용카드 리더 등으로 구성돼 있다.
반면에 비접촉식 충전 방식에서는 충전 케이블이 더 이상 필요하지 않을 뿐 아니라 이런 형태의 사용자 인터페이스 또한 더 이상 필요하지 않게 되는데, 그 이유는 비접촉식충전 방식이 근본적으로 다른 운영 철학을 갖고 있기 때문이다.

운전자들은 운전 중에 차량 내부에서 충전 여부를 결정해 차량 내 전자장치를 설정한다. 차량과 비접촉식 충전 인프라 사이의 정보 교환은 자동화돼 있다. 예를 들어 주차장 내부로 진입할 때 안내시스템이 정적 충전이 가능한 주차 공간으로 차량을 유도하도록 할 수 있다. 동적 충전은 차량을 운전하는 동안 동적 충전용으로 설계된 도로 구간을 통과할 때 자동으로 시작하게 된다.

시범 사업을 통해 길을 닦다 인터넷 검색을 해보면 비접촉식 충전방식이 전혀 새로운 것이 아니라 시범사업의 형태로 몇 년 전부터 존재하고 있었으며, 특수 용도로 사용되고 있었음을 알게 될 것이다. 한 가지 관심 분야로는 공장이나 창고 관련 업무에 오랫동안 영향을 주었던 무인 운송 시스템이 있다. 이 기술은 또한 토리노와 제노아에서 공공 전기 버스를 충전하는데 사용되고 있다. 이탈리아에 있는 이 두 도시에서는 2002년부터 약 30여 대의 전기 버스를 운행해 왔다.



이런 버스들은 버스 정류장에 정차할 때 도로 포장재 내부에 설치된 비접촉식 충전장치를 통해 신속하게 재충전할 수 있다(그림 2). 이 방식을 이용하면 전기 버스들이 운행하는 도중 별도의 배터리 충전 시간을 갖거나 따로 배터리 교환소로 이동할 필요 없이 일상적으로 운행할 수 있다.

이러한 방식을 사용할 경우, 차량들이 하루 종일 운행하는데 충분한 양의 에너지를 싣고 다닐 필요가 없어 개발자들은 배터리 용량을 상당히 줄일 수 있으며, 그에 따라 배터리의 무게와 크기 또한 줄일 수 있다 . 이렇게 되면 다시 이동 중량이 줄어들게 돼 보다 경제적으로 운행할 수 있게 된다. 오늘날에는 비접촉식 충전기술을 이용한 비슷한 사업들이 전 세계의 많은 도시에서 시내 대중교통 시스템에 구현되고 있다. 예를 들어, 독일에서는 아우크스부르크와 브라운슈바이크, 만하임 등에서 이 기술을 이용하는 사업을 추진하고 있으며, 2015년 여름부터 베를린에서도 운행하고 있다.

오래된 변압기 원리 이용한 새로운 접근 방식

버스 정류장에서의 충전 방식과 마찬가지로 적어도 도시 환경 내에서는 개인용 전기차가 정지 신호등에 멈춰서 있을 때 충전하는 것이 가능하다. 그러나 이러한 시나리오를 현실화시키기 전에 기술 및 표준화라는 두 가지 측면에서 극복해야 할 많은 문제가 있다.

비접촉식 충전 방식은 두 개의 코일사이에서 일어나는 커플링(coupling)을 바탕으로 하고 있다. 이러한 현상은 오랫동안 알려져 온 일반적인 변압기의 작동 원리이기도 하다. 성공의 핵심 요인 중 하나는 높은 수준의 효율성이기 때문에, 이 기술을 구현하는 데 필요한 첫 번째 기준은 도로의 포장재 내에 설치된 일차 코일과 차량 내부에 설치된 이차 코일 사이의 거리를 최소화해 운행해야 한다는 것이다. 또 다른 중요한 기준은 표유 부하손(stray loss)을 최소화시키기 위해 차량을 정확하게 위치시켜야 한다는 점이다. 정확한 정차 위치를 잡기 위해 보조시스템이 가치 있는 서비스가 될 것이다.

기술적인 문제의 극복

다른 기술적인 문제들은 적절한 주파수 범위의 선정과 충전 전류의 수준, 코일 전압 등의 선택 등과 관련이 있다. 이러한 문제들과 기타 많은 파라미터들이 최대 충전량이나 효율 수준, 허용 가능한 발열 수준이나 기타 성능 데이터 등을 결정하게 된다. 더욱이, 기타 다양한 물리적 영향, 기생 커패시턴스(parasitic capacitance), 격리 손실(isolation loss) 등에 대해서도 고려해야 한다. 이러한 모든 문제점에도 불구하고 지금까지 알려진 비접촉식 충전 사업에서는 약 90% 정도의 효율 수준을 달성하고 있다.

2002년에 설치된 이탈리아의 시범 사업들은 60 kW의 충전 전력으로 운행하고 있으나, 2014년에 운행을 시작한 브라운슈바이크의 전기 버스는 200 kW 수준의 전력을 이용하고 있다. 이 두 가지 시스템 모두 20kHz의 주파수를 이용하고 있다.

ISO/IEC 15118을 통한 충전 통신: 유선충전 방식의 표준

종류의 (공공) 비접촉식 충전 방식은 차량과 충전 인프라 사이에 신뢰할만한 통신이 이뤄지지 않는다면 존재할 수 없을 것이다. 이것이야말로 핵심적인 질문에 답할 수 있는 유일한 방법이라 할 수 있다. 즉, 누가 얼마만큼의 에너지를 언제, 어디서 어떤 조건으로 취득했으며, 그에 대해 법적으로 타당한 청구서가 생성됐는가 하는 질문 말이다. 여기에 사용하는 방법은 사기나 오용을 방지할 수 있어야 한다. 케이블을 이용해 충전소에서 충전하는 경우에도 같은 요구사항이 적용된다.

유선충전 방식(AC 및 DC)의 경우에는 이미 2015년 초에 ISO/IEC 15118 표준이 완전히 공표됐다. 이 밖에도 DC 충전 방식을 위한 DIN SPEC 70121: 2014 표준도 있다. 이런 표준들은 유럽에서 사용하는 AC/DC 충전 시스템의 표준인 통합 충전 시스템(Combined Charging System, CCS)의 일부를 구성하고 있다.

ISO/IEC 15118 표준에서는 지능형충전(intelligent charging) 방식이나 스마트 충전(smart charging) 방식을 위한 충전통신에 관련된 모든 사항을 규정하고 있으며, 또한 연결 및 인증, 요금 비율 협상, 자동결제, 충전 관리, 향후 스마트 그리드에 대한 요구사항 등도 함께 다루고 있다. 만약 전력망에서 공급하는 전력량이 충분치 않다면 충전 관리 시스템은 전기 자동차에서 임시로 전력망으로 에너지를 다시 공급할 수도 있다. ISO/IEC 15118 ‘HomePlug Green PHYTM’은 데이터 통신을 위한 물리적 계층으로 기획됐다.

무선충전 방식을 위한 ISO/IC 15118의 확장

물론 비접촉식 충전 방식에서 유선통신기술을 사용하는 것은 적합하지 않다.
물리적 레이어(ISO/OSI Layer 1)는 반드시 변경돼야 한다. 또한 애플리케이션 레이어(ISO/OSI Layer 7)도 수정이 필요하다.
ISO/IEC 사업을 추진하는 팀 중 상당수가 현재 이러한 작업에 주력하고 있으며, 무선 전력전송(WPT)을 위한 ISO/ IEC 15118 표준을 개발하고 있다.

특히, ISO/IEC 15118-6, -7 및 -8파트는 무선 전력전송을 위한 ISO/ IEC 15118 표준의 확장이라고 할 수 있다. 이 표준 초안의 제 6 파트는 WPT를 이용한 무선통신에 대한 일반적인 정보를 다루고 있으며, 응용 사례를 정의하고 있는 반면, 제 7파트에서는 프로토콜에 대한 요구사항을 다루고 있다. 마지막으로 ISO/IEC 15118-8에서는 물리적 레이어와 데이터 링크 레이어를 정의하고 있다.

ISO/IEC 이외에도 다른 표준화 기구들, 특히 SAE에서 WPT를 이용한 통신 솔루션에 대한 작업을 진행 중이다. 이 말은 SAE표준에도 ISO/IEC 15118의 모든 파트에 비견할만한 파트가 있다는 뜻이다. 그러나 중국은 아직 WPT에 관련된 국가표준(GB)을 공표한 적이 없다. 그럼에도 불구하고, 전 세계적으로 충전 기술 및 충전 통신의 호환성을 확보하기 위해서는 모든 국가 표준 및 국제 표준을 일치시킬 필요가 있다. 북미, 유럽에 있는 표준 기구들이나 SAE 및 ISO/IEC등은 현재 WPT를 위한 공통 표준을 개발 중이다. 이제는 아시아, 특히 중국도 이러한 움직임에 동참할 필요가 있다.

ISO/IEC 15118-6에 대한 국제표준(DIS)초안은 2015년 초에 공표됐으며, DIS 제 7 파트와 DIS 제 8 파트는 2015년 말이나 2016년 초에 공표될 예정이다. 최종 국제 표준 초안(FDIS)의 공표는 2017년 초로 예정돼 있다.

ISO/IEC-15118 위한 임베디드 솔루션 및 테스팅 툴

그러나 자동차 OEM이나 공급업체, 관련 업체 등은 충전 인프라가 개발될 때까지 기다릴 필요가 없다. ISO/IEC 15118-6ff에 따른 비접촉식 충전 방식은 상당 부분 유선충전 방식과 동일하기 때문에 단계적 접근 방식을 권고한다. 예를 들어 ISO/IEC 15118에 맞게 테스트되고 완료된 임베디드 솔루션은 현재 벡터에서 구입할 수 있다.

ECU를 생산하고 있는 제조업체들은 이러한 제품들을 지능형 유선충전 방식을 개발하는 데 사용할 수 있다. MICROSAR.V2G 제품은 차량 내부에 있는 충전용 ECU를 개발하는 데 사용되는 반면, vEVSE 제품은 충전소에서 사용할 ISO/IEC-15118 기반의 적합한 통신을 구현하는 데 사용된다. 이런 솔루션은 하드웨어 인터페이스(HomePlug Green PHY™) 및 SLAC(Signal Level Attenuation Characterization) 프로세스를 포함한 ISO/IEC 15118의 모든 소프트웨어 관련 요구사항들을 지원하고 있다.

두 번째 단계는 ISO 표준에서 비접촉식 충전 시스템에 필요한 모든 규격을 규정하면 곧바로 비접촉식 충전 방식으로 이전하는 것이다. 벡터는 ISO 소위원회에 참가해 표준화 활동에 적극 참여하고 있기 때문에 슈투트가르트에 본사를 둔 벡터는 매우 신속하게 WPT용 솔루션과 확장 모듈을 제공할 수 있다. 여기에는 충전 시스템을 테스트하는 데 사용하는 벡터의 툴들도 포함된다.

예를 들어, 벡터는 VT System HIL 테스터용으로 VT7870 어댑터를 장착한 특별한 VT7900 랙 카드(rack card)를 제공하고 있다(그림 3). 이러한 장비는 스마트 충전 통신(SCC)에 필요한 모든 메커니즘을 지원하는 데 사용할 수 있다. 여기에는 SLAC 기능을 갖춘 HomePlug PHY 통신 및 PWM 제어장치(IEC61851), 그리고 플러그 연결을 시뮬레이션할 수 있는 적절한 레지스터 등이 포함된다. VT System은 전기 자동차나 충전소를 시뮬레이션하는데 사용할 수 있다.

요약 및 전망

글로벌 표준화는 e모빌리티 부문에서 돌파구를 찾는데, 그리고 대량 판매시장의 문을 두드리는데 있어서 엄청난 중요성을 지니며, 이런 사항은 유선충전 방식이나 비접촉식 충전 방식에 모두 동일하게 적용된다. 정형화된 글로벌 마켓은 자동차 업계나 충전 인프라의 생산 업체들이 자신들의 제품을 국제적으로 판매할 수 있게 만들어준다. 이를 통해 세계 각국마다 비용 상승을 초래시키는 별도의 특별한 솔루션을 구현해야 할 필요가 없어진다.

동시에 이러한 상황은 e모빌리티에 대한 투자를 촉진시키며, 막대한 개발 비용을 충당할 수 있다는 보장을 하게 될 것이다. 만약 전기차를 국제적으로 개발하고, 무선충전 방식을 포함한 표준화된 충전 인프라가 방대하게 보급되는 경우에는 사용자의 수용도(user acceptance)에 긍정적인 효과를 가져올 것이다.

실제로 유선충전 기술과 비접촉식 충전기술은 서로를 보완할 것으로 보인다. 여기서 중요한 점은 유선충전 방식의 기초 인프라를 먼저 전국적으로 보급해야 한다는 점이다. 반면에 비접촉식 충전 방식은 미래에 대해 상당한 잠재력이 있기는 하지만 기존 인프라를 상당 수준 변형해야 할 필요가 있다. 국제적인 조화 노력이 완료되면 관심있는 투자자들이 비접촉식 충전 인프라 사업에 어느 정도 참여할 것인지 명확하게 될 것이다.

동적 충전 솔루션은 전기차들이 특별히 설계된 도로 구간을 운행하는 도중 무선으로 에너지를 끌어올 수 있도록 해줄 것이다. 장기적으로 보면 이러한 접근 방식에 의한 긍정적인 영향은 높이 평가할 만하다. 무엇보다도 이러한 기술을 사용하게 되면 현재로써는 아직 상당히 제한적인 전기차의 주행거리를 크게 늘릴 수 있게 될 것이다.

전기차의 주행거리 확대는 일반 고속도로나 도시 간 고속도로에서 일정한 간격으로 충전 구간을 통합 설치함으로써 달성할 수 있을 것이다. 오늘날 독일에서는 풍력발전 단지의 대부분이 고속도로 주변에 있으므로, 이런 풍력 발전소들은 비접촉식 충전 기능을 설치한 도로 구간에서 합리적인 비용으로 전력을 공급할 수 있게 될 것이다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine